CN116592938A - 土石坝多功能观测管 - Google Patents

土石坝多功能观测管 Download PDF

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陶明星
徐兵
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Abstract

土石坝多功能观测管,包括观测管、多个沉降环、透水段、底盖和顶盖,观测管埋设于坝体内,底端到达坝基,顶端到达坝顶;活动测斜仪探头在观测管内沿内壁设置的凹形导槽上下滑动,使用活动测斜仪测量观测管的水平位移,得到坝体水平位移值;观测管的外壁设置沉降环,沉降环与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,使沉降环对应于土石坝的坝体沉降量;观测管的管底至管顶设置透水段用于测量该处的水位,得到渗透压力或渗流浸润线的位置。本发明结构简单,可由常规测斜管经简单加工改造而得,具有测斜管、分层沉降管、测压管等多种功能,可减少设备安装埋设工作量、节约观测成本、降低对土建施工的干扰。

Description

土石坝多功能观测管
技术领域
本发明涉及水利水电工程安全监测技术领域,具体涉及一种土石坝多功能观测管及观测方法。
背景技术
变形和渗流是土石坝最基本的安全监测项目。
土石坝是一种用土石材料筑成的水利工程建筑物,通常用于拦截河流、蓄水、防洪、灌溉、发电等目的;其结构由填土、石材和混凝土等材料组成,形状一般呈三角形或梯形;土石坝的优点包括建造成本低、易于施工、维护简单等,但在地质条件较差或水位变化较大的地区,其安全性可能会受到影响;
土石坝变形观测包括表面变形观测和内部变形观测,其中内部变形观测又可分为水平位移观测和垂直位移观测;土石坝渗流观测包括坝体、坝基渗透压力和渗流浸润线观测等;
土石坝内部水平位移通常采用在坝体内埋设测斜管,使用活动测斜仪进行观测;土石坝内部垂直位移通常采用在坝体内埋设分层沉降管,使用电磁沉降仪进行观测;土石坝渗流观测可以在坝体内埋设测压管(有时也称为水位管),使用电测水位计进行观测;
若要同时观测内部水平位移、垂直位移和渗流,则需分别埋设测斜管、分层沉降管和测压管,设备安装埋设工作量大,观测成本高,且对土建施工的干扰也较多;
常见的观测管及要求如下:
倾斜观测管:用于测量土石坝在不同位置的倾斜变化情况;倾斜观测管通常由一组铜制或钢制的测斜管组成,通过传感器记录下倾斜角度的变化情况;
沉降观测管:用于监测土石坝表面的沉降变化情况;沉降观测管通常由一组测沉管组成,通过测量管内沉降点的位移情况,记录下土石坝表面的沉降情况;
压力观测管:用于监测土石坝内部的水压和应力变化情况;压力观测管通常由一组压力计或者压力传感器组成,通过测量管内的压力变化情况,记录下土石坝内部的水压和应力变化情况;
渗流观测管:用于监测土石坝内部的渗流情况;渗流观测管通常由一组渗流管组成,通过测量管内的渗流量和压力变化情况,记录下土石坝内部的渗流情况;
因此,现有技术中,针对一个土石坝的观测,需要设置多种观测管,才能实现观测要求,施工成本高,结构复杂,而且土石坝本身设置过多的这种观测管,也会破坏原有结构,造成施工、观测的成本上升,也不利于维护观测管的数据及使用状态。
发明内容
有鉴于此,针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供土石坝多功能观测管。
本申请旨在解决背景技术中的问题之一。
本发明所采用的技术方案为:为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供的土石坝多功能观测管,包括观测管、多个沉降环、透水段、底盖和顶盖,观测管埋设于土石坝的坝体内,其底端到达坝基,顶端到达坝顶;
观测管的内壁设置凹形导槽,凹形导槽用于水平位移测量探头的沿观测管滑动,凹形导槽为十字分布。
本申请提供的一种技术方案,还具有以下技术特征:
优选的,沉降环套在观测管的外壁,沉降环与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,用于标记坝体沉降量。
优选的,沉降环,用于电磁沉降仪测取沉降环的位置。
优选的,沉降环上设置定位锚片。
优选的,凹形导槽沿管底至管顶通长布置。
优选的,水平位移测量探头为活动测斜仪探头。
优选的,透水段上布置有透水孔,透水孔呈梅花形布置于透水段的管壁。
优选的,观测管为非金属材料。
优选的,观测管分为多节,管节之间采用自搭接的接头,接头处观测管粗细及壁厚不变。
优选的,接头的上、下管节使用铆钉固定。
优选的,底盖和顶盖分别位于观测管的底部和顶部。
多功能观测管用于土石坝观测的方法,观测管埋设于坝体内,底端到达坝基,顶端到达坝顶;
活动测斜仪探头在观测管内沿内壁设置的凹形导槽上下滑动,使用活动测斜仪测量观测管的水平位移,得到坝体水平位移值;
观测管的外壁设置沉降环,沉降环与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,使沉降环对应于土石坝的坝体沉降量;
观测管的管底至管顶设置透水段用于测量该处的水位,得到渗透压力、渗流浸润线的位置。
优选的,观测管内壁的两组凹形导槽,一组为上下游方向布置,用于观测坝体上下游方向的水平位移;一组为左右岸方向布置,用于观测坝体左右岸方向的水平位移。
优选的,电磁沉降仪测量初始的沉降环位置及当前位置获得坝体沉降量。
本发明,具有以下有益效果:
1、本发明的结构简单,可以由常规的测斜管经简单加工改造而得,安装一根观测管可同时观测坝体水平位移、垂直位移、坝体或坝基渗透压力等项目,具有测斜管、分层沉降管、测压管等多种功能,因而本发明可减少设备安装埋设工作量、节约观测成本、降低对土建施工的干扰,具有良好的经济效益和推广价值;
2、本申请通过一个复合的观测管,实现了多个观测管才能实现的功能和目的,而且在施工、维护、使用上,具有很大的成本优势,结构趋于简单,获取的数据更全面,对土石坝的影响更小。
附图说明
图1为本发明的土石坝多功能观测管的剖面图;
图2为本发明的土石坝多功能观测管的观测管接头示意;
图3为本发明的土石坝多功能观测管的凹形导槽结构图;
图4为本发明的土石坝多功能观测管的水平位移观测的原理图;
图5为本发明的土石坝多功能观测管的分层沉降观测的原理图;
图6为本发明的土石坝多功能观测管的沉降环结构示意图;
图7为本发明的土石坝多功能观测管的坝体渗流观测的透水段示意图;
图8为本发明的土石坝多功能观测管的坝体渗流观测的透水段示意图;
图中:
100、观测管
101、凹形导槽
102、接头
103、铆钉
200、沉降环
201、环形磁体
202、定位锚片
300、透水段
301、透水孔
302、土工布
400、底盖
500、顶盖
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1-8,土石坝多功能观测管,包括观测管100、多个沉降环200、透水段300、底盖400和顶盖500;观测管100,埋设于土石坝坝体内,其底端到达坝基,顶端到达坝顶;
观测管100的内壁设置凹形导槽101,凹形导槽101用于水平位移测量探头的沿观测管100滑动,凹形导槽101为十字分布。
具体的,沉降环200套在观测管100的外壁,沉降环200与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,用于标记坝体沉降量。
具体的,沉降环200包含有磁体,用于电磁沉降仪测取沉降环的位置。
具体的,沉降环200上设置定位锚片202。
具体的,凹形导槽101沿管底至管顶通长布置。
具体的,水平位移测量探头为活动测斜仪探头。
具体的,透水段300上布置有透水孔301,透水孔301呈梅花形布置于透水段300的管壁,透水孔直径5mm,间距100mm。
具体的,观测管100为非金属材料;以避免影响电磁沉降仪的磁感应探头与沉降环200的感应信号。
具体的,观测管100分为多节,管节之间采用自搭接的接头102,接头102处观测管100粗细及壁厚不变。
具体的,接头102的上、下管节使用铆钉103固定。
具体的,底盖400和顶盖500分别位于观测管100的底部和顶部。
具体的,观测管100内壁有2组成十字分布的凹形导槽101,凹形导槽101沿管底至管顶通长布置,活动测斜仪探头可沿凹形导槽101自管顶向管底(或自管底向管顶)滑动;观测管100埋设于坝体内,当坝体发生水平位移时,观测管100随坝体位移而位移,使用活动测斜仪测量观测管100的水平位移即可得知相应的坝体水平位移;多个沉降环200套在观测管100的外壁,并按观测计划分别布置于不同高程;多个沉降环200与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,使用电磁沉降仪观测沉降环200的位置变化进而可得知相应的坝体沉降量;透水段300根据观测需要布置于观测管100的管底至管顶之间,透水段300上布置有透水孔301,坝体渗水经透水孔301流入(或流出)观测管100,使用电测水位计测量观测管100内的水位,可以得知相应的坝体(或坝基)渗透压力或渗流浸润线的位置。
具体的,沉降环200包括一个环形磁体201和多个定位锚片202,定位锚片202一端固定在环形磁体201上,另一端伸入坝体并与坝体紧密结合,以使环形磁体201的沉降与坝体沉降保持一致。
具体的,当用于观测土石坝渗流浸润线时,透水段300的长度范围应高于可能最高浸润线以上0.5m,低于可能最低浸润线以下1m;当用于坝体某点渗透压力观测时其长度一般为0.5m;当用于观测沿坝基面的渗透压力时,其长度范围应为坝基面以下1m左右至坝基面以上1m左右。
具体的,透水段300外壁包裹2层无纺土工布302作为过滤层,以防止坝体土料进入观测管100。
具体的,观测管100为ABS类柔韧性好、强度高、耐老化材料,以便与坝体协调变形以提高观测精度并避免损坏。
具体的,观测管100分为多节,管节之间采用自搭接的接头102,接头102处观测管100粗细及壁厚保持不变,以便沉降环200及测斜仪探头自由滑动。
具体的,接头102的上、下管节使用铆钉103固定,以防接头102脱节或错位;管节之间的接缝使用胶水粘接,接头102外侧包裹防水胶带,以阻止渗水从接头102处进入观测管100。
具体的,底盖400和顶盖500分别位于观测管100的底部和顶部,用于阻止杂物进入观测管100。
图1中,标号S为上游水位,标号X为下游水位,标号J为浸润线;标号BT为坝体,标号BJ为坝基。
如图1所示,在土石坝填筑前,先在计划安装本发明处的坝基上钻孔,孔径110mm,孔深2m;将带有底盖400的观测管100安装于钻孔中,然后在管壁与钻孔之间回填水泥砂浆,水泥砂浆凝固后观测管100的底端可作为坝体水平位移观测的基点;在坝基面处的观测管100外壁安装第一个沉降环200,此沉降环200可作为坝体分层沉降观测的基点。
当本发明用于坝基面渗透压力观测时,应将坝基面以下1m至坝基面以上1m布置为透水段300;透水段300由在观测管100管壁上钻透水孔301并包裹2层无纺土工布302而得,透水孔301呈梅花形布置于透水段300的管壁,透水孔301直径5mm,间距100mm;无纺土工布302作为过滤层,目的是防止坝体土料进入观测管100,造成观测管100淤积。
当本发明用于坝体渗流观测时,透水段300的位置应根据观测计划确定,透水段300的长度一般为1-2m;当用于坝体某点渗透压力观测时其长度一般为0.5m;当本发明用于浸润线观测时,透水段300的位置应根据渗流计算成果确定,其长度范围应高于可能最高浸润线以上0.5m,低于可能最低浸润线以下1m;待坝体填筑到相应高程时安装埋设透水段300。
在后续土石坝填筑过程中,随坝体填筑高度逐节安装观测管100和沉降环200;观测管100内壁的2组凹形导槽101,1组为上下游方向布置,用于观测坝体上下游方向的水平位移;1组为左右岸方向布置,用于观测坝体左右岸方向的水平位移;安装时需逐节确认凹形导槽方向101是否正确。
如图2所示,观测管每节2m左右,管节之间采用自搭接的接头102,接头102处观测管100粗细及壁厚保持不变,以便沉降环200及测斜仪探头自由滑动;接头102的上、下管节使用铆钉103固定,以防接头脱节或错位;管节之间的接缝使用胶水粘接,接头102外侧包裹防水胶带,以阻止渗水从接头102处进入观测管100。
观测管100每接长一次都要及时进行观测,坝体水平位移观测使用活动测斜仪,分层沉降观测使用电磁沉降仪,渗流观测使用电测水位计。每次观测完成后,应盖上顶盖500,以阻止杂物进入观测管100。
如图3、图4所示,使用测斜仪观测坝体水平位移时,将测斜仪探头沿观测管100的凹形导槽101下放至管底,每隔0.5米测量一次观测管100的倾角,根据倾角变化可推算相应测量段的水平位移,对各测量段水平位移逐段累加,可以得到管底以上不同高程的水平位移。
图4中,标号CX为垂线,标号L为测量段长度,θ为测斜仪探头与垂线的夹角。
如图5、图6所示,使用电磁沉降仪观测坝体分层沉降时,将磁感应探头沿观测管100下放,当磁感应探头到达沉降环200位置时,感应信号通过带导线的刻度尺传输至电磁沉降仪。记录本次沉降环200的位置,与前次测量的差值即为本次沉降量。
图5中,标号CJ为电磁沉降仪,标号C为带导线的刻度尺,标号T为电磁沉降仪探头。
如图7、图8所示,透水段300带有透水孔301,内外水压力相同,通过测量观测管100的水位可得坝体(或坝基)渗透压力或浸润线位置;观测时将电测水位计探头沿观测管100下放,探头遇水发出信号时,记录相应观测管100的水位。
图7中,标号JM为坝基面,标号Z为钻孔。
当土石坝填筑到坝顶,观测管100全部安装完成后,应在观测管100管口设立测量标志,使用外部变形观测方法对观测管100的沉降、水平位移进行复核,并评估观测管100的可靠性。
土石坝观测方法,观测管100埋设于坝体内,底端到达坝基,顶端到达坝顶或马道;
土石坝的马道指的是在土石坝顶部或坝体外侧设置的一条供机械或人员通行的道路;马道在土石坝的设计和施工中起到了很重要的作用,它可以使巡视、养护和维修坝体的人员更加方便地进出坝体,也可以保障坝体上的工作安全;
马道通常在坝体上游或下游设置,并且应该足够宽敞,以满足巡视、养护和维修人员的需要;
活动测斜仪探头在观测管100内沿内壁设置的凹形导槽101滑动,使用活动测斜仪测量观测管100的水平位移,得到坝体水平位移值;
活动测斜仪是土石坝观测中的一种测量工具,用于监测土石坝的变形情况;它由一个测斜管和测斜管内部的传感器组成,可以测量土石坝在不同位置上的倾斜变化情况,并将数据传输给数据采集系统进行分析和处理;活动测斜仪的测斜管被安装在土石坝的内部或者坝体表面,当土石坝发生倾斜变化时,测斜管内部的传感器就会感应到变化并记录下相关数据,数据采集系统可以实时或定期收集这些数据进行分析和处理,以便及时发现和处理土石坝的变形情况,确保坝体的安全稳定;
观测管100的外壁设置沉降环200,沉降环200与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,使沉降环200对应于土石坝的坝体沉降量;
观测管100的管底至管顶设置透水段300用于测量该处的水位,得到渗透压力、渗流浸润线的位置。
土石坝观测指标主要包括:
1.坝体变形观测指标:主要有坝顶、坝基、坝肩和坝体其他部位的水平位移、竖向位移和变形速率等;
2.坝体应力观测指标:主要有坝顶、坝基、坝肩和坝体其他部位的应力分布、应力变化和应力变形关系等;
3.水位观测指标:主要有坝前水位、坝后水位、河床水位和库水位等;
4.渗流观测指标:主要有渗流速度、渗流压力、渗流量和渗流方向等;
土石坝观测方法主要包括:
1.测量法:通过使用专业仪器,如全站仪、水准仪、倾斜仪等,测量土石坝各个部位的位置和变形情况;
2.遥感法:通过使用航空摄影和卫星遥感技术,观测土石坝及其周边区域的地形和变化情况;
3.数值模拟法:通过使用计算机数值模拟技术,模拟土石坝的变形、应力和渗流等情况;
测量法能够提供精确的位移和变形数据,但需要现场操作;而遥感法可以实现大范围区域的观测,但精度有限;数值模拟法可以模拟不同情况下的变形和应力分布,但需要建立准确的模型和参数。
具体的,观测管100内壁的两组凹形导槽101,一组为上下游方向布置,用于观测坝体上下游方向的水平位移;一组为左右岸方向布置,用于观测坝体左右岸方向的水平位移。
具体的,电磁沉降仪测量初始的沉降环200位置及当前位置获得坝体沉降量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.土石坝多功能观测管,其特征在于,包括:观测管(100)、多个沉降环(200)、透水段(300)、底盖(400)和顶盖(500);
所述观测管(100),埋设于土石坝的坝体内,其底端到达坝基,顶端到达坝顶;
观测管(100)的内壁设置凹形导槽(101),凹形导槽(101)用于水平位移测量探头沿观测管(100)上下滑动,凹形导槽(101)为十字分布。
2.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,沉降环(200)套在观测管(100)的外壁,沉降环(200)与土石坝的坝体相结合,随坝体沉降而沉降,用于标记坝体沉降量;沉降环(200)上设置定位锚片(202)。
3.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,沉降环(200)包含有磁体,用于电磁沉降仪测取沉降环(200)的位置。
4.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,凹形导槽(101)沿管底至管顶通长布置。
5.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,水平位移测量探头为活动测斜仪探头。
6.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,透水段(300)上布置有透水孔(301),透水孔(301)呈梅花形布置于透水段(300)的管壁。
7.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,观测管(100)分为多节,管节之间设置自搭接的接头(102),接头(102)处观测管(100)粗细及壁厚不变。
8.根据权利要求1所述的土石坝多功能观测管,其特征在于,底盖(400)和顶盖(500)分别位于观测管(100)的底部和顶部。
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